船用柴油機隔振氣囊壓力自動監測系統設計

徐海成，潘興隆，賀 國

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船用柴油機隔振氣囊壓力自動監測系統設計

徐海成1，潘興隆2，賀 國2

（1．海裝裝備采購中心，北京 100040；2．海軍工程大學動力工程學院，武漢430033）

針對某型船用柴油機氣囊隔振裝置氣壓檢測過程中只能依靠人工檢測，現場操作難度大，無法做到及時、準確測量等問題，以單片機為核心設計了一套氣囊壓力自動監測系統，可以實時、準確的檢測各個氣囊的壓力，并自動控制氣囊壓力在正常范圍內。

船用柴油機 氣囊隔振 單片機 壓力檢測

0 引言

柴油機是應用最廣泛的船舶動力裝置原動機，與蒸汽輪機、燃氣輪機、熱氣機等其它原動機相比，其最大的缺點是柴油機作為往復式機械設備，其振動和噪聲比較大，這不僅對船舶的居住性產生較大影響，而且對船上其它設備和管路的正常工作、性能發揮和使用壽命也會產生不利影響。因此，采用柴油機作為主動力裝置的現代船舶一般都采取了一定的減振降噪措施或安裝有專門的減振降噪設備，其中，氣囊隔振器就是一種可以有效降低柴油機振動噪聲傳播的設備[1,2]。

某型船采用兩臺柴油機作為主動力裝置原動機，為減小柴油機振動噪聲的傳播，降低對其它設備和人員造成的不利影響，每臺柴油機都安裝有專門的氣囊隔振裝置，每個氣囊隔振裝置是由多個氣囊組成的一個氣囊陣列，其布置示意圖如圖1所示。隔振氣囊安裝于柴油機與下層甲板之間，這樣柴油機的振動噪聲就能被氣囊吸收，切斷其傳播路徑，使其盡量不繼續向外傳遞到機艙其它設備和空間。

為了確保氣囊隔振的效果，每個氣囊的氣壓都需要保持在一定壓力范圍內。在工作過程中，如果氣壓降低到規定氣壓范圍的下限值，就需要及時對氣囊進行充氣，當充氣氣壓達到規定氣壓范圍的上限值后停止充氣，以免影響氣囊隔振的效果和使用壽命。

1 氣囊壓力測量方法

對于氣囊隔振器來說，氣囊氣壓是一個重要參數。由于某型柴油機機艙條件限制，無法直接測量每個氣囊內的壓力值，因此，在柴油機的前部、中部和后部分別設置了三對間接人工測量點，每對測量點分上、下兩個測點。如圖1所示，上測量點布置在柴油機機身上，下測量點布置在艙底甲板上。如果氣囊陣列中各個氣囊的壓力均在正常范圍內，那么每對測量點的上、下測量點之間的距離也應在一定范圍內。當氣囊陣列中某一側氣囊的壓力下降時，對應位置的上、下測量點之間的距離將變小，因此，通過測量各個測量點之間的距離，就可以間接得到氣囊陣列中各氣囊的壓力變化情況。一旦發現某一對測量點之間距離超出了正常范圍，就需要及時對氣囊進行充氣，現場氣囊充氣口如圖2所示。

在日常使用過程中，要求操作人員定期對各個測量點的高度進行檢測，而由于柴油機機艙空間狹小，而且測量點又在柴油機機身和艙底甲板之間，現場測量難度較大，每次測量都費時費力，操作人員也不愿下機艙測量。因此，氣囊氣壓下降后，通常并不能及時發現并充氣；另外，通過人工測量存在人為誤差，而且各測量點之間的距離并不能完全反映氣囊陣列中所有氣囊的壓力變化情況，在對氣囊充氣過程中需要對哪些氣囊進行充氣以及充氣量的多少，也需要操作人員根據測量的距離并結合自己的經驗來判斷，存在一定的管理盲區和操作盲目性。為了提高隔振氣囊氣壓的測量精度，并確保其在規定氣壓范圍內，從而提高氣囊隔振裝置的總體效能，本文設計了一套基于單片機的氣囊壓力自動監測系統。

2 氣囊壓力自動監測系統設計

2.1總體方案

某型柴油機隔振氣囊壓力自動監測系統以單片機為控制核心，包括各氣囊氣壓的實時自動檢測、氣壓不足時自動充氣和壓力顯示三個功能模塊組成，系統總體方案如圖3所示。

以單片機為核心的氣囊壓力自動監測系統通過循環掃描的方式，自動檢測各個氣囊的壓力。

在圖2所示的氣囊充氣口加裝三通接頭，三通接頭一端接壓力變送器，用于實時測量氣囊壓力，并將壓力值在顯示屏上進行實時顯示；三通接頭另一端通過一個電磁閥接高壓氣瓶或空壓機，電磁閥的通斷由單片機控制。初始狀態下，電磁閥處于關閉狀態，當檢測到氣囊氣壓下降至正常范圍下限值時，通過單片機控制電磁閥打開，向對應的氣囊充氣；當充氣氣壓達到正常范圍的上限值時，關閉電磁閥，停止向氣囊充氣。

2.2 關鍵技術分析

氣囊壓力自動監測系統的關鍵是實時獲取各氣囊的壓力，并據此通過電磁閥控制向氣囊充氣的時機和充氣量。

1） 壓力采集模塊

壓力采集模塊的核心是A/D轉換，本文研究過程中選擇ADC0808作為壓力采集模塊的A/D轉換器，ADC0808是8通道的8位逐次逼近型A/D轉換器，可直接對壓力變送器輸出的0～5V電壓信號進行A/D轉換。其內部結構如圖4所示。

如圖4所示，氣囊壓力采集模塊的A/D轉換過程如下：

首先，與各氣囊相連的壓力變送器將氣囊壓力信號轉換為0～5V的電壓信號后，送入模擬量輸入端口IN0～IN7。

然后，由模擬通道地址譯碼選擇信號ADDA、ADDB、ADDC的狀態確定某一時刻選通開始A/D轉換的具體通道，其中ADDA為低位，ADDC為高位。例如，如果ADDC、ADDB、ADDA的值為000時，IN0端口被選通，與IN0端口相連的壓力變送器的電壓值送入比較器開始A/D轉換；當ADDC、ADDB、ADDA為001時，IN1端口被選通，與IN1端口相連的壓力變送器的電壓值送入比較器開始A/D轉換。

第三，經轉換后的數字量送入數據輸出端D7～D0，其中，D7為最高位，D0為最低位，D7～D0為三態可控輸出，因此可直接與單片機I/O端口相連接。

第四，單片機讀取數據輸出端D7～D0的值，并將其換算為對應的氣囊壓力值，輸出至顯示屏進行顯示。

通過單片機控制模擬通道地址譯碼選擇信號ADDA、ADDB、ADDC的狀態，就可以根據需要依次讀取各個氣囊的壓力值，并進行轉換和顯示。

2）開關量輸出模塊

開關量輸出模塊用于控制電磁閥的狀態，當檢測到某一氣囊壓力下降至正常范圍的下限值時，單片機控制對應的電磁閥接通，向氣囊充氣；當充氣氣壓達到正常范圍的上限值時，關閉電磁閥，停止向氣囊充氣。為了避免單片機電路和電磁閥電路之間的相互干擾，開關量輸出模塊采用了光電隔離技術。另外，由于單片機采用的是5V電源，而電磁閥是由12 V電源供電，由于光電耦合器的輸入與輸出端不需要“共地”，可使兩部分電路的電源相互獨立，消除電位不同造成的影響[3,4]。單片機控制電磁閥的電路原理如圖5所示。

如圖5所示，光耦的輸入回路通過DO端與單片機的I/O輸出端相連，當單片機輸出低電平時，光耦導通；當單片機輸出高電平時，光耦截止。光耦的輸出回路為光電三極管，三極管的導通和截至特性可作為開關使用，當光耦導通時，電磁閥接通，向氣囊充氣；當光耦截止時，電磁閥斷開，停止向氣囊充氣。其中，Q1為PNP三極管，用來驅動電磁閥，D1為續流二極管，用來吸收電磁閥斷開時產生的瞬時反向電動勢。

2.3實驗驗證

根據上述方案，以三個氣囊組成的系統為例，利用Protues電路仿真軟件，結合Keil編程軟件[5,6]，對設計的某型柴油機隔振氣囊壓力監測系統的功能進行實驗驗證，系統實驗原理圖如圖6所示。

圖6中，RV1～RV3分別模擬三個氣囊的壓力，其模擬量值分別接入ADC0808的IN0～IN2通道。對于IN0～IN2三個通道而言，只用ADDA和ADDB兩位地址譯碼信號即可， 所有將ADDA和ADDB分別接單片機的P2.4口和P2.5口，而將ADDC直接接地。地址鎖存允許信號ALE由單片機P2.6口控制。假設某一時刻單片機P2.4口和P2.5口均輸出低電平，則通道IN0被選通，對應的模擬量值通過IN0通道進入ADC0808中進行A/D轉換，轉換完成的結果輸出至OUT1～OUT8端口，當單片機需要讀取轉換完成的數據時，通過P2.7口控制ADC0808的允許輸出信號端OE，ADC0808的輸出三態門被打開，轉換結果通過數據總線被讀入單片機的P1.0～P1.7口；經過單片機處理后，轉換為氣囊氣壓值，通過P0.0～P0.7口輸出，在數碼管中進行顯示。

需要讀取其它氣囊的氣壓值時，只需通過單片機的P2.4口和P2.5口改變ADDA和ADDB的值，即可選通需要的通道，對應的氣囊氣壓值就被送入A/D轉換器進行轉換。通過循環掃描各個通道，即可實時監測各氣囊的氣壓值，一旦發現某一氣囊氣壓值過低，則通過P2口控制電磁閥接通，向氣囊充氣。

3 結語

氣囊隔振是降低柴油機振動噪聲的一種有效途徑，氣囊壓力是氣囊隔振器的一項重要參數。針對某型船用柴油機隔振氣囊壓力參數無法自動檢測，僅依靠人工檢測不僅現場操作難度大，而且無法及時準確獲取氣囊壓力變化情況并及時充氣等問題，設計了一套氣囊壓力自動監測系統，可以實時自動檢測各個氣囊壓力，并據此自動控制高壓氣向氣囊充氣，確保氣囊壓力維持在正常范圍。

[1] 束立紅，胡宗成，呂志強. 國外艦船隔振器研究進展[J]. 艦船科學技術，2006，28（3）：109-112.

[2] 顧太平，何琳，黃煉，一種氣囊承載特性分析方法[J]，海軍工程大學學報，2011, 23（3）：49-52.

[3] 潘興隆，賀國，高世倫. 光電耦合技術在電路故障診斷中的應用[J]. 船海工程，2008，37（4）：19-22.

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[5] 鐘珊，尹斌.基于Protues的溫度測控系統仿真研究[J]. 電子設計工程，2012,19（24）：123-129.

[6] 廖振儉，張鳳登，石秋嬋. Protues仿真設計基于單片機AT89C52的多通道數據實時采集顯示[J]. 微計算機信息，2010,26（12）：89-91.

Design of Pressure Parameter Automatic Monitoring System of Air Suspension for Marine Diesel Engine

Xu Haicheng1, Pan Xinglong2, He Guo2

(1. Procurement Center of Navy Equipment Department, Beijing 100040, China;2. College of Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

The air pressure test of air spring on a certain marine diesel engine depends on manual detection, and thus the field operation is difficult and the result can’t be obtained timely and accurately. To deal with the problem, an automatic air pressure detection system is designed on the basis of single chip microcomputer. By using the proposed automatic detection system, the pressure parameter of each air spring can be obtained timely and accurately, and the air pressure remains in normal range.

marine diesel engine; air suspension; single chip microcomputer; pressure detection

TP274

A

1003-4862（2016）03-0037-04

2016-01-09

徐海成（1983-），男，工程師。研究方向：機電系統設計、裝備管理。